Umělá inteligence, díl 2. - neuronové sítě

Dnes se podíváme na neuronové sítě, konkrétně biologické neuronové sítě. Popíšeme si jejich funkci, stavbu a zkusíme pochopit, jak vlastně fungují. Jak vypadá samotný neuron v těle a jak funguje? Podíváme se na to ve článku.

V dnešní době již víme, že hustota lidského mozku je přibližně 7 až 8*10⁴ na mm³.
Během života našeho organismu je mnoho buněk nahrazováno po odumření novými buňkami, které tělo vytvoří. U neuronových buněk tomu však tak není. Ukážeme si proč a vysvětlíme tento jev. Možná nám to přijde divné, ale neuronová buňka má svoji zvláštnost.

Stává se to? Občas - denně jich umře asi 10 tisíc. Zdá se vám to číslo velké? Ve skutečnosti je však zanedbatelné. Za 75 let života vám odumře pouze 0,2 až 0,5 % z celkového počtu neuronů. Co se stane, pokud nějaký ten neuron odumře? V lidském těle probíhá "reorganizace" neuronové sítě. To znamená, že se synapse na dendritech spojí s jinou ještě stále živou neuronovou buňkou (viz obr.). Tento proces automatického navazování nových spojů se nazývá v procesech umělé inteligence, ale i v biologických, jako proces učení.

Schéma neuronu a jeho spojení s ostatními neurony

"Dříve jsme se domnívali, že nervové buňky CNS dospělých lidí se nejsou schopny zregenerovat", řekl Dr. Frank Walsh, ředitel a viceprezident neurologického výzkumu firmy SmithKline Beecham Pharmaceuticals v anglickém Harlow, hlavní autor jedné ze tří studií o nově nalezeném genu, které byly publikovány v britském časopisu Nature. "I současné laboratorní pokusy svědčí o tom, že poškozené neurony jsou ve skutečnosti schopny regenerace, pokud jsou odstraněny některé brzdící faktory (tzv. inhibitory)."

síť biologických neuronů

"Příroda nám totiž dává do vínku více neuronů než dokážeme využít, a tak v posledních desetiletích porodníci a psychologové zkoušejí, jak neurony záchránit před odumřením a zachovat je pro budoucí život."

Jak vypadá samotný neuron v těle a jak funguje? Pro správnou funkčnost neuronu je neuron pokryt membránou, která umožňuje přenášet informace. Tato membrána je silná 10 až 30 nm a skládá se ze dvou vrstev molekul, tzv. lipidů. Mezi jednotlivými vrstvami jsou pak ještě umístněny vnitromembránové proteiny (bílkovíné komplexy), které tvoří iontové pumpy a kanály (viz obr.). Samotný neuron je pokryt dvěma vrstvy membrán.

Model membrány s iontovými pumpami a kanálky

Tyto membrány jsou :

• vodivá membrána

• transmitní membrána

Vodivá membrána pokrývá celý povrch axonu. Často se tato membrána v technických i biologických literaturách nazývá myelinový povlak. Po určitých vzdálenostech je tento povlak přerušen tzv. Ranvierovými zářezy. Tyto zářezy slouží pravděpodobně k dosažení vysokých přenosových rychlostí v lidském mozku a malým zkreslením přenášených signálů. Kromě toho umožňují polarizaci vlákna a tedy k vytvoření elektrického impulzu. Rozdíl potenciálů na membráně je 70 mV. Elektrický impulz vytvořený polarizací vlákna má rychlost přibližně od několika m/s až do 120 m/s. Jestliže dojde k překročení prahové rychlosti potenciálu, která je uvnitř neuronu 15 až 20 mV, pak dojde k polarizaci vlákna a tedy přenosu informace. Pokud by vlákno bylo pokryto myelinovým povlakem, rychlost přenosu informace v lidksém mozku by byla 50× menší.

biologický neuron - ("multipolar" typ, ~4 um tělo buňky)

Transmitní membrána pokrývá zbytek neuronu, tj. dendrity, zakončení axonu a povrch somatu. Oproti vodivé membráně obsahuje navíc ještě tzv. receptorové proteiny, které mají podobnou analogii, jako hradla a umožňují tak otevírat nebo zavírat iontové kanály a membrány.

Působením chemických přenášečů (transmitterů) na povrchu membrány vzniká tzv. potenciálová vlna, která se šíří po dendritu od místa vzruchu na styku synapsí až k somatu. Tímto způsobem dochází v lidském mozku k přenosu informace.

V lidském mozku však kromě výše uvedených dějů přichází v úvahu ještě další podněty, které buďto vznikají v lidském těle, nebo jsou člověkem vyvolávány. Všechny tyto podněty jsou přenášeny pomocí krevního oběhu. Zde se hlavně jedná o podněty od hormonů, kyselosti prostředí, obsahu kyslíku, množství glukózy, ale také od drog, léků, virů a protilátek.

Tvar impulsu neuronu

Průběh signálu axonem

Reakce neuronu (jeho aktivace) se objeví až po překročení hodnoty potenciálu, nebo-li prahu. (Obrázek: tvar impulsu neuronu). Ve většině případů se tento práh považuje za konstantní (u umělých neuronových sítí), ale v lidském organismu jeho hodnota závisí na mnoha faktorech. Obrázek "Průběh signálu axonem" ukazuje sled impulzů při aktivaci neuronu. Kmitočet je většinou kolem 250 až 1000 imp/s.

Důležitou vlastností neuronů je jejich následná necitlivost na další impulsy po vyslání impulsu. Většinou se tato pauza označuje jako "refrakterní perioda". Informaci lze přenášet různými způsoby. Například změnou tvaru, velikosti, rychlosti či frekvencí. V lidské těle a všech živočišných organismech se používá hlavně frekvenční modulace. Rychlost přenosu takovéto informace je od 0,5 do 2 m/s. Tato rychlost poté dovoluje přenášet informaci mezi dvěma neurony za 20 až 40 m/s.

Mezi dvěma synapsemi je dále ještě štěrbina, která se v biologických literaturách nazývá synaptický štěrbina. Přes tuto štěrbinu přecházejí jednotlivé informace. Šířka štěrbiny je několik nm. Obecně lze přenášet informace oběma směry. Jak taková synapse vypadá, můžeme vidět na následujícím obrázku.

Schéma stykových kanálků v elektrické synapsi

Typy synapsí :

• Elektrické synapse - jsou vývojově starší. Přenos signálu se zde děje elektricky, jak již sám název napovídá. Obě synapse jsou shodné (viz obrázek nahoře).

• Chemické synapse - jsou polarizovány. Důležitá poznámka je, že vstupní a výstupní synapse nejsou shodné. Jak tato synapse vypadá můžeme vidět na následujícím obrázku. Synaptická štěrbina i průměr synapse jsou větší než u elektrické.

Chemická synapse a její struktura

U biologických neuronových sítí existuje přenosová funkce - transmitter. Schéma přenosu transmitterem můžete vidět na obrázku níže. Jsou obsaženy uvnitř neuronu a jsou obsaženy ve vestikulách. Velikost těchto vestikul se pohybuje od 20 do 90 nm. Určité typy a druhy vestikul obsahují aminokyseliny či jiné monoaminy. Přenosová funkce je obecně nelineární a většinou se aproximuje jako signoida. Doba přenosu touto synapsí u člověka je přibližně něco kolem 500 us (mikrosekund). To je relativně málo, ale na vlastní přenos zde připadá pouze 10% (50 us). Zbytek doby (zpoždení) si veme příprava a vyslání či příjem transmitteru.

Transmitter